John Deere se okreće 3D štampanju efikasnijih dijelova motora

Novi John Deere traktori koji silaze sa proizvodne linije u Manhajmu u Nemačkoj imaju prvi deo za kompaniju: metalni 3D štampani deo motora.

Globalnom proizvođaču poljoprivredne opreme i opreme za travnjak nije strana 3D štampa, koja ga je koristila više od 20 godina da napravi hiljade prototipova, alata, šablona i pribora u svojim globalnim fabrikama. Ali 3D štampani ventil od nerđajućeg čelika u sistemu goriva traktora je novi pravac i deo onoga što kompanija naziva svojom pametnom industrijskom strategijom.

Pokrenut 2020. godine, John Deere je najavio svoju viziju da brzo integriše nove tehnologije u tri fokusna područja: proizvodni sistemi, njihov tehnološki niz i rješenja životnog ciklusa.

3D štampa je dio ove vizije, a ovaj ventil je jedan od njenih prvih plodova. Efikasniji je nego da se proizvodi tradicionalno. To je oko 50% jeftinije i znatno manje, koristi manje materijala. Ali ovo je samo grebanje površine zašto je John Deere izabrao 3D štampanje ovog dijela.

Prvi od mnogih 3D štampanih delova

Novi termalni preklopni ventil na najnovijim verzijama traktora John Deere 6R i 6M nije samo inovativna primjena sve dostupnije tehnologije 3D štampanja metala, to je kulminacija oko dvije godine istraživanja i razvoja.

Počelo je sa izazovom da se osigura da John Deere traktori rade u hladnim okruženjima. Inženjeri su dobili zadatak da razviju ventil koji bi mogao održavati temperaturu goriva bez utjecaja na performanse motora.

„Prvo, počnete s onim što želite da dio radi“, kaže Udo Scheff, direktor inženjeringa za John Deere male i srednje traktore, „i radite na optimizaciji računske dinamike fluida i simulirate je u virtualnom svijetu, a zatim to prenosite u digitalni dizajn za prototip modela.”

Idealizirani model prototipa, onaj koji je puštao gorivo da teče s najvećom efikasnošću, imao je zaobljene, glatke unutrašnje kanale. Funkciju, kaže Scheff, moguće je kreirati samo uz 3D štampanje.

„U dinamici fluida, kada imate dvije izbušene rupe koje se ukrštaju, uvijek imate oštre uglove ako koristite alate za obradu. Uz 3D štampu, možete imati zaobljene uglove, što je element koji nam je doveo još jedan korak naprijed u optimizaciji ventila.”

Kako bi testirali da li će dio raditi kako se očekivalo, inženjeri u John Deere-u su radili s osobljem za aditivnu proizvodnju u njemačkoj GKN aditiv (3D prognoza), digitalni proizvođač metalnih dijelova i materijala, za daljnju optimizaciju dizajna ventila za gorivo za metalnu 3D štampu. GKN je odštampao prototip ventila od čelika na novom metalnom 3D štampaču iz HP-aHPQ
, u Metal Jet S100 rješenje. Ovaj štampač koristi jednu od metalnih tehnologija 3D štampanja – postoji nekoliko – tzv brizganje veziva, gdje je metalni prah spojen zajedno sa vezivnim sredstvom sloj po sloj kako bi se formirao dio koji se zatim sinteruje u industrijskoj peći. Nakon toga, dio se strojno obrađuje i sklapa.

Termički razvodni ventil je podvrgnut rigoroznom testiranju kako bi se osigurao traženi kvalitet cijevi, koji je jednak strojno ili lijevanom metalu. Terensko testiranje dijela je također bilo uspješno.

„Dakle, ovo je tačka u kojoj smo morali da odlučimo kako ćemo da proizvedemo ovaj deo da bismo zadovoljili materijalnu imovinu i druge zahteve“, kaže Scheff, koji je takođe morao da razmotri svoj kratak rok za ovaj deo, koliko će koštati alat, i kako bi se dio uklopio u radni tok montaže.

„I tada smo odlučili, u redu, ako ovaj 3D štampani dio radi na testovima i aditivna proizvodnja je isplativa, onda će funkcionirati i u proizvodnji“, kaže Scheff.

Kreiranje prototipa od istog materijala i metoda koji će se koristiti za finalni proizvodni dio daje inženjerima veća sigurnost performansi. „Odabrali smo HP-ov metalni mlazni proces jer je mnogo brži od ostalih procesa 3D štampanja metala“, dodaje Jochen Müller, globalni menadžer digitalnog inženjeringa John Deere-a. “Otkrivamo mogućnosti za isporuku efikasnije, pouzdanije i održivije opreme, a HP nam je pružio savršeno rješenje za to.”

Metalna 3D štampa u proizvodnim količinama

Trenutno se više od 4,000 ventila isporučuje iz GKN-a u tvornicu traktora John Deere na završnu montažu po cijeni po dijelu koja je niža od kovanja ili glodanja. Traktori sa ovim 3D štampanim delom su već na terenu, bukvalno.

Müller kaže da je još jedna prednost 3D štampanja ovog konkretnog dijela umjesto korištenja tradicionalnih metoda, dodatna agilnost u procesu proizvodnje. Budući da 3D štampanje ne zahtijeva kalupe ili alate, prototipovi dijelova su bili brži i jeftiniji za izradu, što je ubrzalo proces dizajna. Dizajn se može prilagoditi i poboljšati u bilo kojem trenutku. Osim toga, kada su u pitanju zamjenski dijelovi, nije potreban stalni inventar. Digitalna datoteka ove vrijednosti može se poslati bilo kojem trećem proizvođaču sa HP Metal Jet tehnologijom i proizvedena relativno lokalno i brzo.

Iako je kompletan digitalni inventar popravki i rezervnih dijelova za sadašnju i staru John Deer opremu još uvijek projekt daleke budućnosti, kompanija već vidi potencijalne prednosti.

„Imamo ogromnu organizaciju rezervnih delova koja je veoma, veoma zainteresovana za 3D štampanje“, kaže Müller. Kompanija već razmišlja o tome koji i koliko rezervnih delova može da se konvertuje u digitalne datoteke za 3D štampanje, čime bi se eliminisalo skladištenje. “Obično imamo rezervne dijelove na zalihama otprilike 20 godina, ponekad i duže, i vrlo je teško predvidjeti što učiniti s dostupnim zalihama i kako dopuniti zalihe ako ih ponestane.”

Osim 3D štampanja rezervnih dijelova na zahtjev, Müller predviđa budućnost u kojoj John Deere može analizirati istrošene ili polomljene dijelove i 3D print prilagođene dijelove koji su ojačani za pojedinačne slučajeve upotrebe.

3D štampa dokazano kroz izradu prototipa

John Deere, kao i mnoge proizvodne i automobilske kompanije, započeo je 3D štampanje u svojoj inženjerskoj laboratoriji sa prototipovima polimernog dizajna delova i koncepta vozila.

Kompanija je brzo naučila da je posjedovanje fizičkih modela za rukovanje, uklapanje i upoređivanje sa postojećim dijelovima neprocjenjivo u fazi dizajna. „Ljudi s proizvodne trake mogu provjeriti da li je vaš konceptni dio izvodljiv iz proizvodne perspektive“, napominje Scheff.

Ovi prototipovi su efikasniji i znatno brži od mašinske obrade ili rezbarenja drveta, što je bila jedna od tehnika korišćenih pre nego što je John Deere počeo sa 3D štampanjem 2000. godine.

„Naše interne mogućnosti 3D štampanja omogućavaju našim dizajnerima da lako testiraju svoje ideje i verificiraju svoje koncepte u vrlo ranoj fazi u procesu razvoja“, dodaje Müller. „To je 'fail rano' tip razmišljanja. Želimo iznijeti sve koncepte na pod kao fizičke modele i imati različite grupe zajedno kako bismo izašli s pravim konceptom. Dakle, 3D štampanje i aditivna proizvodnja, općenito, ovlašćuju nas da to učinimo.”

Termalni preusmjerivač je samo prvi od mnogih 3D printanih dijelova traktora koji dolaze.

3D printing Factory Jigs & Tools

3D štampači se nalaze u gotovo svim John Deere tvornicama širom svijeta i proizvode opremu i fabričke alate 24 sata dnevno. Scheff kaže da se još uvijek odvija tradicionalna proizvodnja jer 7D štampa ne može zamijeniti sve, ali kada su u pitanju dijelovi s jedinstvenim konturama ili posebnim alatima, 3D štampa je metoda izbora.

Fabrička oprema je skoro uvek jedinstvena za fabričku liniju i skupa za mašinsku obradu u malim količinama. Da bi olakšao 3D štampanje ovih delova, John Deere je uspostavio globalnu mrežu 3D štampača sa različitim tehnologijama štampača na različitim lokacijama, a veće fabrike služe potrebama manjih fabrika.

U svakoj John Deere tvornici, odjel proizvodnog inženjeringa, koji ima zadatak da pronađe najefikasnije proizvodne procese, predlaže nove alate i određuje da li su oni najbolje napravljeni aditivima ili tradicionalnim tehnologijama. Zatim, Müllerova grupa za digitalni inženjering razvija digitalne modele koji se šalju nazad u tvornicu na 3D štampanje ili predaju lokalnoj službi za 3D štampanje.

Od prototipa do konačnih komponenti, alata i rezervnih dijelova, 3D štampa je jedno od glavnih prednosti John Deere-a u njegovoj potrazi da bude digitalnija i agilnija organizacija, kaže Müller. Omogućava inženjerima da brže razvijaju koncepte od ideje do fizičkog dijela kroz brzu izradu prototipa dijelova, a sada, sa svojim najnovijim projektom, brže i jeftinije plasiraju efikasnije dijelove motora na tržište.